风电机组抗台风技术策略与应急管理

文 | 黄冬明，张铁，曹人靖，张启应，柳胜举

风电机组抗台风技术策略与应急管理

文 | 黄冬明，张铁，曹人靖，张启应，柳胜举

台风是生成于热带或副热带洋面且极速旋转的大气涡旋，其分类和卫星图片如表1和图1所示。其中，超强台风瞬间阵风风速超过51m/s，具有很强的破坏力，给风电机组的设计带来极大挑战。例如，2014年第9号超强台风“威马逊”，其阵风风速达到66.7 m/s，最低气压910hPa，横扫菲律宾、中国和越南，使得国内外知名厂家的风力发电场发生了风电机组倒塌、塔架屈曲折断、叶片断裂、机舱盖掉落、塔架门破坏等严重事故，给业主和制造商造成极大损失。然而，多个风电场安装的某厂家MY1.5-77/82和SCD3.0MW-110抗台风型风电机组却无一发生倒塌、塔架破坏和叶片断裂等事故，其优异的抗台性能和高可靠性在行业内赢得了良好口碑。

因此，本文根据该厂家抗台风型风电机组的实际应用经验，围绕风电机组叶片、风电机组结构、塔架基础、抗台风控制策略以及应急管理等几个方面，阐述了抗台风型风电机组的应用技术与应急管理模式，对抗台型风电机组技术的发展具有一定的参考价值。

风电机组抗台风技术

抗台风型风电机组设计涉及机械工程、电气工程、空气动力学、固体力学、热力学、流体力学、复合材料和先进制造等多学科领域。本文以MY1.5-77/82和SCD3.0MW-110为例，从叶片设计、风电机组结构设计、塔架基础、抗台风控制策略、风电场应急管理模式等几个方面，深入系统地介绍风电机组的抗台风技术。

一、叶片设计

风电机组叶片是风电机组的关键部件，其性能好坏直接影响风电机组的整机载荷大小、抗台风性能和风电机组在超强台风中的生存率。抗台风型风电机组所用叶片，可基于以下几个方面进行设计，以保证风电机组叶片的性能：

1. 考虑50年一遇极端风速和极端湍流特征值0.16的载荷进行叶片结构设计，确保叶片强度能够满足超强台风生存的需要；

表1 台风分级

图1 台风分类及其卫星照

2. 风电机组叶片满足抗台风整体性能要求，采用抗台风叶片，确保台风中变桨伺服电机具备足够刹车力矩，防止叶片桨距变化导致不可预见的后果；

3. 加强叶根铺层厚度，提高叶根抗弯模量。加强压力面梁帽铺层厚度，提高叶片受压面强度。采用FEM对叶片铺层进行优化设计，提高叶片强度和刚度，降低叶片重量等；如图2和图3所示为叶片截面结构图和叶片FEM仿真计算结果图。

二、超紧凑机组结构设计

与普通机型相比，超紧凑机组结构设计具有得天独厚的抗台风性能，其优势如下：

1. 如图4所示，超紧凑传动链设计可以确保机舱重量减轻和载荷传递路径短，载荷从风轮传递至主轴承、传动链、偏航系统、塔架和基础。机舱系统重心位于上风向，台风工况中有利于抵消部分台风产生的弯矩。

2. 超紧凑设计的机舱尺寸远远小于传统双馈机型尺寸，结合CFD技术对机舱外形进行空气动力学优化，可以大大减小机舱阻力，减小机组在超强台风中的载荷，显著提高机组抗台风性能。如图5所示为传统双馈机舱与超紧凑机舱结构尺寸比较。

图2 叶片截面结构图

图3 叶片FEM仿真计算结果

图4 SCD机型传动链设计

三、两叶片的结构设计

与三叶片机组不同，两叶片的设计在台风工况下拥有无可比拟的优势。两叶片风电机组在台风停机状态下，机组风轮锁定在水平位置，由于只有两个叶片，风轮受到的面内气动力基本与地面垂直，且都处于同一水平面上，避免了纵向风切变的影响，这样就可以极大降低由于叶片安装角误差、风切变、风轮倾角、风轮锥角等因素造成的气动不平衡引起的侧向推力，从而极大降低了塔筒、基础承受的合弯矩。

图5 传统双馈机型结构与超紧凑机舱结构比较

图6 叶轮在不同方位角下塔底合弯矩变化图

不同方位角下塔筒底部的倾覆力矩如图6所示，可以看到，在方位角为90°时，即风轮处于水平状态下，塔筒底部弯矩达到最小值。

四、塔架基础设计

塔架基础设计与施工质量对保证风电机组良好的抗台特性至关重要。针对超强台风特性，塔架基础设计严格按照IEC标准和GL风电机组认证导则进行。

1. 考虑50年一遇（3S）极限风速（高达70m/s），按照极端湍流强度特征值0.16和风切变指数0.2进行载荷计算；

2. 基于EC3对塔架系统进行设计，并采用FEM进行结构优化与校核，确保塔架的强度和刚度满足使用要求，降低塔架重量。仿真计算包括塔架共振分析、塔架各段屈曲稳定性分析、塔架门、焊缝分析和法兰联接螺栓分析等；

3. 塔架生产工艺要求严格控制质量，确保塔架强度。塔架钢板要求一级探伤且为正火交货状态。法兰采用整体锻造辗环工艺，严格遵守工艺操作规范，确保工艺质量。对于关键位置焊缝需要进行无损探伤，从源头上消除质量风险。

4. 基础设计与施工基于50年一遇极端载荷，采用国家防洪设计要求标准，对于软地基或高水位地基采用桩基础加强，从而保证基础抗台风强度要求。图7所示为抗台型风电机组多桩基础。

五、抗台风控制策略

针对中国南方沿海多台风地区，考虑50年一遇（3S）极端阵风（风速达到70m/s）、极端湍流EWM模型、电网掉电工况和台风阵风系数为1.4进行分析，确保在载荷计算阶段全面考虑台风特性。

（一）控制策略设计

MY1.5-77/82和SCD3.0MW-110机组在超强台风“威马逊”中所表现出优异性能和高可靠性，源于该风电机组先进的控制策略设计，其抗台风控制模式如表2所示。

根据表2可知，其控制策略为：当台风来临时，控制系统开始动作，风电机组桨叶紧急顺桨至91°并锁定，机组处于停机状态。风电机组偏航至设定角度，以桨叶最小面受力，叶片处于空气制动状态，叶轮处于自由状态，通过程序控制释放主轴刹车和系统液压力，同时保证偏航刹车压力不小于100Bar。抗台风控制策略流程如图8所示。

图7 抗台风型风电机组多桩基础结构

表2 风电机组抗台风模式

（二）偏航对风策略

以MY1.5-77/82机组为例，使用Bladed软件对机组进行仿真分析，采用Kaimal功率谱湍流模型，当叶片顺桨至91°，风轮处于自由状态时，台风工况下的载荷分别如图9和图10所示（黑线，0°；红线，90°；绿线，180；蓝线，270°）。

由分析结果可知，机组偏航角度为0°和180°时，叶根合弯矩以及塔底的合弯矩相对于其他角度载荷较小。因此，风电机组抗台风模式可采用正面对风或背面对风，以最大限度降低机组载荷，提高风电机组生存率。

（三）后备电源策略

对于传统结构的风电机组，如MY1.5-77/82，可以采用后备电源策略以确保偏航系统供电。后备电源策略方案如图11所示，当台风登陆，电网断电以后，转换开头自动切换到后备电源，此时，偏航系统由后备电源供电，从而确保6小时内偏航系统能够始终工作，控制偏航误差在±10°以内。

图8 抗台风控制策略流程图

同时，后备电源的使用也大大降低了机组载荷，提高了风电机组的抗台风可靠性。基于上述载荷分析结果和抗台风控制模式，风电机组在台风工况下停机的有利偏航角是180°或0°。考虑在机舱内配有偏航备用电源，能保证风电机组在电网掉电时，偏航系统连续工作6小时、控制系统工作7天，从而保证风电机组10分钟平均偏航误差在180±10°或0±10°内，叶根合弯矩及塔底合弯矩的极限载荷均可大幅降低20%左右，Bladed仿真结果如图12和图13所示。

（四）其他控制策略

为有效降低风电机组整体载荷，提高抗台风性能和可靠性，也可以采用其他先进降载控制策略，包括传动链加阻、塔架加阻、IPC、动态推力削减、台风预估策略、极端阵风控制、Finepitch和Optimalpitch等。降载控制策略的应用，可有效地降低机组载荷，综合提高风电机组在台风工况下的发电量。

图9 不同偏航角度叶根合弯矩对比

图10 不同偏航角度塔底合弯矩对比

风电场应急管理

风电机组的叶片、结构、控制策略等固然重要，但如果没有科学合理的风电场抗台风应急管理模式，抗台风的效果也会大打折扣，因此，采用先进的风电场抗台风应急管理模式，在台风来临之前做好充分的应对准备，可以更有效地应对超强台风的袭击。

风电场抗台风应急管理模式如下所示：

1. 成立固定的抗台风应急小组，以组织协调风电场抗台风工作，小组成员分工明确，并且加强宣传和教育、定时预报、定期进行应急演练等；

图11 后备电源策略电气设计方案

图12 不同偏航角度叶根合弯矩对比

图13 不同偏航角度塔底合弯矩对比

图14 明阳风电场抗台风管理模式

2. 在台风来临之前一天召开业主和应急小组抗台风联席会议，深入讨论可能的紧急事故并制定相应预案，进行应急演练；

3. 台风登陆前五小时，以1小时为间隔对风电场风电机组运行情况进行汇报。汇报内容包括风速、各机组运行情况、进入台风模式、进行应急演练及业主内外电网和线路情况等；

4. 台风登陆后每隔半小时进行汇报；

5. 台风过后两小时内持续汇报风电场及各机组情况；

6. 若遇到紧急情况，马上汇报给相关部门高层领导并启动应急预案。

结论

在海上风电迅猛发展的当下，风电机组的抗台风性能的提高已经是一个必须应对的迫切要求，本文以MY1.5-77/82和SCD3.0MW-110为例，从叶片设计、机组结构设计、塔架基础设计、抗台风控制策略以及风电场抗台风应急管理等多个方面，系统地论述了风电机组的抗台风技术及管理模式，这些机组在历次台风袭击中所表现出的优异的抗台风性能及高可靠性，充分证明了这些技术及管理模式的实用性，为我国风电行业发展抗台风技术提供了积极的参考意义。

（作者单位：黄冬明，张铁：华南理工大学机械与汽车工程学院；曹人靖，张启应，柳胜举：广东明阳风电产业集团有限公司）